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本文在玻耳兹曼输运方程弛豫时间近似的框架下,研究半导体纳米复合体系中电子的散射参数及寨贝克系数。为了从理论上解释n型PbTe/Pb纳米复合体系中高达4.06的电子散射参数的实验值,我们提出了协同散射机制,即电子先后受到杂质离子和近邻电荷层的连续二次散射。通过把原子碰撞理论的多重散射几率的概念推广到输运过程,定义了协同散射的有效弛豫时间。电子受杂质离子和界面势场散射的跃迁几率可用微扰论解析求出。散射参数由定义式τ=τ0Eλ-1/2拟合弛豫时间—能最图线确定。本文假设协同散射起主要作用,因此塞贝克系数用协同散射的弛豫时间进行计算。把模型应用到n型PbTe/Pb纳米复合体系,散射参数的计算结果与实验符合很好,有的结果比实验值大一些。塞贝克系数与纯净半导体PbTe相比有了很大的提高。对于纳米金属球与宿主半导体之间的界面为势垒的情况,计算结果和界面势阱的情况差别不大。本文还研究了内嵌纳米颗粒为半导体的复合体系的散射参数。对于Nn型和nN型两种异质结,电子的协同散射参数整体而言比金属半导体结的结果稍小一些,但也与实验值相符。本文的计算结果表明,协同散射机制对提高纳米复合体系中电子的散射参数,从而提高塞贝克系数起决定性的作用。
本文还用第一性原理计算掺杂半导体ZnTe1-xFx和ZnTe1-yNy的电子态密度,并在常数弛豫时间近似下,估算了掺杂半导体的塞贝克系数,电导率和功率因子。结果表明,具有高负电性的元素F和N分别在导带底和价带项附近引起陡峭的电子态密度,使塞贝克系数得到显著的提高。而且掺杂浓度越低,塞贝克系数越高,但电导率越低。较低的电导率在一定程度上抵消了较高的塞贝克系数对功率因子的贡献。对于两种半导体,在载流子密度和温度相同的情况下,在ZnTe1-yNy中,化学势附近的态密度斜率较大,空穴的化学势较低,使得塞贝克系数和功率因子较大。本文的研究进一步确证了通过掺杂有效提高块体半导体电输运性能的原则,即用恰当的元素对块体半导体进行重掺杂,使能带边附近出现陡峭的电子态密度,从而显著提高功率因子。